Конспект лекции № 8. Общие сведения о магнитных свойствах материалах

В веществах с самопроизвольной поляризацией имеются отдельные области — домены; обладающие электрическим моментом ещё в отсутствие внешнего поля. Однако ориентация электрических моментов в разных доменах различна.

Наложение внешнего поля способствует преимущественной ориентации в направлении поля, что даёт очень сильную поляризацию. В качестве магнитных материалов техническое значение имеют ферромагнитные вещества и ферромагнитные химические соединения (ферриты). Ферромагнетик — кристаллическое вещество, в котором результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. Антиферромагнетик — кристаллическое вещество, в котором результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю. Ферримагнетик — кристаллическое вещество, магнитную структуру которого можно представить в виде двух или более подрешеток, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Такими круговыми токами являются: вращение электронов вокруг собственных осей — электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.

Явление ферромагнетизма связано с образованием внутри некоторых материалов ниже определенной температуры (точки Кюри) таких кристаллических структур, при которых в пределах макроскопических областей, называемых магнитными доменами, электронные спины оказываются ориентированными параллельно друг другу и одинаково направленными. Таким образом, характерным для ферромагнитного состояния вещества является наличие в нем самопроизвольной (спонтанной) намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако, хотя в ферромагнетике и образуются самопроизвольно намагниченные области, но направления магнитных моментов отдельных доменов получаются самыми различными. Магнитный поток такого тела во внешнем пространстве будет равен нулю.

Монокристаллы ферромагнитных веществ характеризуются магнитной анизотропией, выражающейся в различной лёгкости намагничивания вдоль разных осей. Когда анизотропия в поликристаллических магнитиках выражена достаточно резко, принято говорить, что ферромагнетик обладает магнитной текстурой. Получение заданной магнитной текстуры имеет большое значение и используется в технике для создания в определённом направлении повышенных магнитных характеристик материала.

Процесс намагничивания ферромагнетика под влиянием внешнего магнитного поля: 1) рост тех доменов, магнитные моменты которые составляют наименьший угол с направлением поля, и к уменьшению размеров других доменов и (процесс смещения границ доменов); 2) поворот магнитных моментов направлении внешнего момента поля (процесс ориентации).

Когда рост доменов прекратится, достигает магнитное насыщение, а магнитные домены окажутся ориентированными в направлении поля. Относительная магнитная проницаемость определяется по основной кривой намагничивания как отношение индукции В к напряженности магнитного поля Н в данной точке кривой намагничивания с учетом магнитной постоянно мо =4р*10−7 Гн/м:

(1.21).

Магнитную проницаемость м при H? 0 называют начальной проницаемостью, определяя ее при очень слабых полях, около 0,1 А/м. Наибольшее значение магнитной проницаемости носит наименование максимальной проницаемости обозначается ммакс. При сильных полях в области насыщения магнитная проницаемость, мr стремится к единице. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов зависит от температуры, переходя через максимум при температурах, близких к температуре (точке) Кюри. Для чистого железа точка Кюри составляет 768° С, для никеля 358° С, для кобальта 1131° С.

При температурах выше точки Кюри области спонтанного намагничивания нарушаются тепловым движением и материал перестает быть магнитным. Если медленно производить намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем, начиная с какой-либо точки основной кривой намагничивания, начать уменьшать напряженность т. то индукция будет также уменьшаться, но не по основной кривой, а отставанием, вследствие явления гистерезиса. Значение В при Н = 0 с пронес размагничивания образца, намагниченного до насыщения, называется остаточной индукцией Вr. Для того чтобы уменьшить индукцию от значения Вr до нуля, необходимо приложить обратно направленную напряженность поля Нс, называемую задерживающей (коэрцитивной) силой. Материалы с малым значением Нс и большой магнитной проницаемостью называются магнитно — мягкими материалами. Материалы с большой коэрцитивной силой и сравнительной малой проницаемостью называются магнитно-твердыми материалами.

Рисунок 6 Доменные структуры в тонких образцах магнетиков.

Для некоторых кристаллических веществ минимуму потенциальной энергии системы отвечает антипараллельное расположение спиной с некоторым преобладанием одного направления над другим. Эти вещества называют ферромагнетиками. Они имеют доменную структуру, точку Кюри; к ним применимы все характеристики, введенные для ферромагнитных веществ. Ферримагнетиками являются сложные оксидные материалы, получившие в практике название ферритов. Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей индукцией насыщения, имеют более сложную температурную зависимость и повышенное, а для некоторых материалов и очень высокое, значение удельного сопротивления. Первые два отличия упрощенно могут быть объяснены наличием в структуре сложного материала двух подрешеток, создающих встречные некомпенсированные магнитные потоки, а третье отличие — тем, что эти материалы не относятся к металлам.

Допустим, что соотношения между ординатами кривых B макс1 и B макс2 при различных температурах для какого-то феррита такие, как это показано на рис. а. Тогда при некоторой температуре ниже точки Кюри получится компенсация, и результирующая индукция насыщения B макс образца станет равной нулю. Эту точку называют точкой компенсации tкомп. За точкой компенсации индукция в образце ферримагнетика меняет знак и затем становится равной напряженности внешнего поля (которое мало и и масштабе чертежа близко к нулю) в точке Кюри. У различных ферримагнетиков точка компенсации может быть, а может и отсутствовать, как это видно, например, из рис. б.

Тонкие магнитные пленки и цилиндрические домены. Особенностью тонких магнитных пленок является то, что при малой толщине их (много меньшей линейных размеров о, 6) направление легкого намагничивания оказывается расположенным в плоскости пленки. Образуются плоские домены, показанные па рис. 9−12, а. Для очень тонких пленок характерна однодоменная структура, для пленок толщиной свыше 10−3—10−2 мм (у различных веществ) — многодоменная, состоящая из длинных узких доменов (шириной от долей микрометров до нескольких микрометров), намагниченных в противоположных направлениях. Под воздействием внешнего поля вся система полос может перемещаться и поворачиваться, и ее используют, как управляемую дифракционную решетку для света и ближайшего диапазона поли электромагнитного спектра.

В пластинках некоторых ферритов, толщиной около 50 мкм, вырезанных в направлении, перпендикулярном к оси легкого намагничивания, наблюдается так называемая лабиринтная структура доменов (при Н? 0) с противоположным направлениями намагниченности, нормальными к плоскости рис. б (светлые и тёмные места).

Если пластину поместить во внешнее неизмененное по направлению магнитное поле, перпендикулярное к ее поверхности, и увеличивать напряженность поля, то лабиринтная структура разрывается, и образуются цилиндрические домены (рис. в), диаметр которых при дальнейшем усилении поля уменьшается, пока не будет достигнуто однородное однодоменное намагничивание всей пластинки.

Цилиндрические домены, существующие при определенных значениях напряженности магнитного поля, управляемые полем (возможно, смещение по двум координатам), представляют большой интерес при создании устройств вычислительной техники. Их можно использовать для создания, как запоминающих, так и логических элементов. В двоичной системе «1» может соответствовать наличие домена в определенной точке устройства, а «0» — его отсутствие. Магнитные элементы с цилиндрическими доменами позволяют осуществлять многофункциональные операции без нарушения однородности материала-носителя.